CN107268637A - 用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统及方法，试验系统包括一种试验用锚杆或锚索夹持机构，安装于反力装置的上端，可实现待测锚固体模型锚杆或锚索的自动夹持与张开；环状高压加载气囊为环状筒结构，柔性约束箍套黏贴于环状高压加载气囊内壁，由端部弧形套管、弧形压簧、弧形连杆、弧形传力板组成，为圆筒状结构。在环状高压加载气囊加载约束作用下，柔性约束箍套可实现自动内缩，保证收缩过程中横断面始终为圆形，可实现圆柱形锚固体模型表面均布围岩应力的加载。通过配合风动油箱泵、高压气泵及控制器，本发明可满足不同围岩应力状态及加载方式下锚杆或锚索锚固体模型界面力学性能的有效测试。

Description

用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系 统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程支护材料试验领域，特别是涉及用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统及方法。

背景技术

目前，随着国民经济快速发展对煤炭资源需求量的日益提高，煤炭资源开采强度逐年增加，浅部煤炭资源基本趋于枯竭，我国大部分矿井开始呈现出“向深部开采”的发展趋势。当矿井开采超过某一临界深度后，受深部“三高一扰动”因素影响，围岩所处地质力学环境更加复杂多变，在浅部呈现出硬岩特征的岩石，则会呈现出软岩大变形、大地压、难支护的非线性破坏特征，极易产生强岩爆、突水、顶板冒落等安全事故，这给我国矿井安全生产带来了极大威胁。

作为一种有效的支护技术，锚杆(索)可充分调动软弱围岩自承能力，有效控制围岩变形破坏，在我国矿山领域应用最为广泛。众所周知，当现场锚固技术施工完毕后，所构成的锚固系统由锚杆(索)杆体、锚固剂与围岩的三种介质共同组成，包含锚杆(索)-锚固剂与锚固剂-围岩两个界面。沿锚杆(索)锚固段轴向取一定长度范围，通过等比例制作锚固体模型试件(包括锚杆(索)杆体、锚固剂及杆体周围一定范围围岩)，开展室内拉拔试验，分析在拉拔荷载作用下锚杆(索)从围岩拔出过程中的力学失效行为，是研究锚固系统界面力学性能的一种有效手段。

然而，当地下硐室埋深较大，地应力水平较高，围岩应力大小也是影响锚固系统承载性能的一个重要因素。但是现有拉拔试验中还较少考虑该因素，相关试验研究成果也未曾见到。尤其，人们一般习惯将锚杆(索)杆体、锚固剂及岩土体构成的锚固体试件加工成圆柱形模型，若采用传统液压油缸配合刚性推力器的方式，从圆柱体表面沿环向施加径向均布围岩压力，实现难度较大，需对油缸结构进行特殊设计才可满足要求，且由于与传统液压油缸配合的刚性加载推力器与圆柱形锚固体模型试件表面接触面积也非常有限，无法保证圆柱形模型表面围岩压力沿环向分布的均匀性。一旦试验过程圆柱形锚固体模型受到非均匀加载压力作用而产生非对称开裂或挤压变形，锚固体模型横断面将难以保证圆形，进而无法有效模拟模型表面环向均布围岩应力作用，降低试验精度。

针对上述问题，本发明提出了用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统及方法，可予以有效解决。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种试验用锚杆或锚索夹持机构，该夹持机构可用于锚杆或锚索拉拔试验中对锚杆或锚索杆体的自动夹持与松开，简单方便，而且牢固可靠。

一种试验用锚杆或锚索夹持机构的具体方案如下：

一种试验用锚杆或锚索夹持机构，包括中空自动加载油缸，中空自动加载油缸包括中空缸筒，中空缸筒内设置中空活塞筒，中空活塞筒的动力输出端与夹持圆盘连接；

夹持圆盘中心部位开有锥形圆槽，锥形圆槽顶部设置环形槽盖，锥形圆槽底部中心部位设置中空套管，中空套管与中空缸筒连接，锥形圆槽内设置锥形锁块，锥形锁块与环形槽盖之间设置高强锥形压簧，高强锥形压簧与环形槽盖内圈部位设置中空锥形圆套，锥形锁块包括至少两块，锥形锁块在与夹持圆盘的相对移动中实现夹持与张开；待测模型锚杆或锚索可穿过环形槽盖、锥形锁块、中空锥形圆套、中空套管和中空缸筒设置。

上述夹持机构，第一动力源可以是风动油箱泵，由其控制中空缸筒内活塞筒的移动，进而带动夹持圆盘的上移和下移。当夹持圆盘下移时，可使中空套管顶端顶住锥形锁块，使锥形锁块上移压缩锥形压簧，并保持自动张开，锚杆或锚索杆体可自由穿过，而当夹持圆盘上移时，中空套管顶端与锥形锁块分开，锥形锁块在高强压簧作用下下移，可实现对锚杆或锚索杆体的自动夹持。随着中空自动加载油缸进油油液压力的增大，夹持圆盘持续上移，还可实现对锚杆或锚索杆体拉拔荷载的施加。

进一步地，所述中空锥形圆套顶部固定在所述环形槽盖内环表面，可以通过螺纹进行紧固；

锥形锁块在锥形圆槽底部闭合后，为中空锥形体，外圈表面底部为锥形面，顶部设有台阶，内圈表面底部为圆柱面，顶部为锥形面；

所述的锥形锁块外圈表面底部锥形面、内圈表面顶部锥形面与所述的中空锥形圆套外圈表面、锥形圆槽内圈表面锥形圆面倾斜角度一致，可形成使锥形锁块沿锥形圆槽上下自由移动的锥形通道。

进一步地，所述中空套管的外侧中部可设置外伸台阶以与中空缸筒上表面通过紧固件进行锁紧。

进一步地，本发明提供了用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，该系统可实现不同围岩应力、不同加载方式等因素影响下，圆柱形锚杆(索)锚固体模型界面力学性能的自动加载测试与控制。

该试验系统的具体方案如下：

用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，包括：

底座，底座表面设置壁筒，壁筒内设置环状高压加载气囊，壁筒顶部可设置环形封板，在环状高压加载气囊内环表面设置柔性约束箍套，柔性约束箍套内圈设置锚固围岩模型，锚固围岩模型中心设置用于安装锚杆或锚索杆体的钻孔；

底座表面围绕壁筒还设有支柱，所述的一种试验用锚杆或锚索夹持机构通过支柱设于所述壁筒的上方；

所述底座可为圆环板形，底座内圈安装有环形底盖，环形底盖上表面外边缘处设有凸起圆肋，环形底盖内圈安装有中心底盖，中心底盖尺寸与锚固围岩模型钻孔尺寸一致；

所述的环形封板内圈部位设有环形顶盖，环向顶盖内圈设有中心顶盖，中心顶盖尺寸与锚固围岩模型钻孔尺寸一致；

所述柔性约束箍套包括多个设置成圆筒形状的弧形传力板，相邻的弧形传力板间隔设定距离设置，弧形传力板的上下两端均设置弧形套管，弧形套管内部设置弧形压簧，相邻的弧形套管之间通过弧形连杆连接，在环状高压加载气囊充气约束下，弧形连杆端头可压缩弧形压簧，柔性约束箍套可实现内缩以对锚固围岩模型提供环向约束力，并保证收缩过程中横断面可始终保持圆形。当柔性约束箍套处于松弛状态时，其外径与环状高压加载气囊内圈直径一致；

进一步地，所述弧形传力板内表面可黏贴薄层柔性橡胶；所述的薄层柔性橡胶直接作用于待测锚杆或锚索锚固体模型表面。所述中空自动加载油缸中中空缸筒与第一动力源连接，环状高压加载气囊通过气管与第二动力源连接，所述的第一动力源、第二动力源分别与控制器单独连接；所述的第二动力源为气泵，由其控制环状高压加载气囊充气、排气。

进一步地，在环状高压加载气囊内设置气压传感器，中空自动加载油缸内设有油压传感器，夹持圆盘部位设有位移传感器，锚杆或锚索杆体设有应力传感器，各类传感器分别与控制器单独连接。

上述的试验系统还包括阶梯筒状模具，阶梯筒状模具可活动设于所述环状高压加载气囊内侧；进一步地，阶梯筒状模具沿竖向中心剖面被切割成两半，阶梯筒状模具外表面设置至少两个台阶，每个台阶处可采用钢制圆环进行套箍约束，内表面底部环向周圈设有阶梯状缺口，缺口尺寸与环形底盖上表面凸起圆肋尺寸一致。进一步地，所述的中空自动加载油缸固定于环形横板中部，环向横板固定在所述的立柱上，并可沿立柱上下移动设置。

本发明还提供了用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验方法，采用所述的用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，具体步骤如下：

1)移去壁筒顶部环形封板、环形顶盖及中心顶盖，对环状高压加载气囊进行卸载，使柔性约束箍套张开，安装阶梯筒状模具，并采用事先配制好的围岩模拟材料，制作圆柱形锚固围岩模型；

2)移走阶梯筒状模具，并封闭环形封板、环形顶盖及中心顶盖等构件，对环状高压加载气囊进行充气，模拟圆柱形锚固围岩模型环向均布围岩应力作用；

3)拆去中心顶盖与中心底盖，沿拆去顶盖、底盖位置，对圆柱形锚固围岩模型钻孔，并利用锚固剂进行锚杆或锚索安装；

4)通过夹持机构对锚杆或锚索杆体顶部外露部分进行夹持，采用阶梯式分级加载、循环加卸载或恒定荷载的方式，对锚杆或锚索的进行拉拔，并在试验过程中记录相关试验数据；

5)当锚杆或锚索从锚固围岩模型中拔出时，夹持机构松开锚杆或锚索，环状高压加载气囊出气，移去环形封板、环形顶盖及待测锚固围岩模型，试验结束，可进行下一试验循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)考虑了围岩应力影响，采用壁筒、环状高压加载气囊、柔性约束箍套及薄层柔性橡胶等构件，可有效模拟圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用，符合高应力环境下锚固体受力特点，使传统的锚固体模型拉拔试验更为真实有效。

2)采用柔性约束箍套，可有效保证圆柱形锚固体模型，在加载过程中横断面始终保持圆形，实现轴对称围岩应力加载。有效避免受加工制作精度影响使模型出现断面非真正圆形、或沿环向存在加工缺陷、或模型加载变形开裂等问题时，产生径向加载不均匀现象，使锚固体试件产生非对称变形破坏，从而影响试验精度。

3)柔性约束箍套通过配合使用环状高压加载气囊、柔性薄层橡胶，使加载装置在对锚固体试件传力时，作用在圆柱形锚固体模型表面径向加载压力分布更为均匀，避免传统传力板刚性加载造成模型表面受力不均匀现象，提高试验加载精度。

4)柔性约束箍套通过利用端部弧形套管、弧形压簧、弧形连杆、弧形传力板等构件，可实现径向自由伸缩，可用于满足不同直径围岩锚固体模型的加载。

5)采用中空自动加载油缸，并配合立柱、环形横板等构件，可自动实现对不同长度锚杆(索)杆体的自动夹持与松开，拆卸方便便于操作。

6)通过利用控制器，并配合风动油箱泵、高压气泵及各类测试传感器，可有效模拟不同围岩应力状态及加载方式(循环加卸载、阶梯加载、恒定荷载)等工况，整套试验系统可实现自动控制且功能高效。

7)通过将阶梯筒状模具直接安装于底座，可实现锚固围岩模型的原位加工制作，无需模型的搬运，尤其对于较软弱锚固围岩模型，可有效避免模型搬运过程产生开裂或损坏等现象。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的结构示意图

图中所示：图1为本发明实施例待测锚杆锚固体模型安装之前的结构示意图；

图2为本发明实施例待测锚杆锚固体模型制作时的结构示意图；

图3为本发明实施例待测锚杆锚固体模型安装完成时的结构示意图；

图4为本发明实施例的中空自动加载油缸中心剖面结构示意图；

图5为本发明实施例的锥形锁块三维结构示意图；

图6为本发明实施例的中空锥形圆套三维结构示意图；

图7为本发明实施例的H形中空套管三维结构示意图；

图8(a)为本发明实施例的环形槽盖竖向中心断面结构示意图；

图8(b)为本发明实施例的环形槽盖顶部俯视平面图；

图9(a)为本发明实施例的环形底盖竖向中心断面结构示意图；

图9(b)为本发明实施例的环形底盖顶部俯视平面图；

图10(a)为本发明实施例的阶梯筒状模具竖向中心断面结构示意图；

图10(b)为本发明实施例的阶梯筒状模具顶部俯视平面图；

图11为本发明实施例的柔性约束箍套三维结构示意图；

图12为本发明实施例的柔性约束箍套端部弧形套管与弧形连杆连接结构示意图；

图13为图3中A-A断面俯视图；

图14为图3中B-B断面俯视图；

图15为图3中C-C断面俯视图；

其中：1-圆形底座；2-环形底盖；3-中心底盖；4-螺纹立柱；5-环形横板；6-中空自动加载油缸；7-圆形壁筒；8-环形封板；9-环形顶盖；10-中心顶盖；11-环状高压加载气囊；12-柔性约束箍套；13-薄层柔性橡胶；14-风动油箱泵；15-高压气泵；16-中心控制系统；17-油管；18-气管；19-阶梯筒状模具；20-锚杆；21-锚固剂；22-围岩；23-钢制圆环；24-活塞筒；25-中空缸筒；26-夹持圆盘；27-锥形锁块；28-高强锥形压簧；29-中空锥形圆套；30-环形槽盖；31-H形中空套管；32-弧形套管；33-弧形压簧；34-弧形连杆；35-弧形传力板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-6，图13-图15所示，一种用于测试高应力环境锚杆(索)锚固界面力学性能的试验系统，包括圆形底座1、环形底盖2、中心底盖3、螺纹立柱4、环形横板5、中空自动加载油缸6、圆形壁筒7、环形封板8、环形顶盖9、中心顶盖10、环状高压加载气囊11、柔性约束箍套12、薄层柔性橡胶13、风动油箱泵14、高压气泵15、中心控制系统16、油管17、气管18、阶梯筒状模具19、锚杆20、锚固剂21、围岩22。

所述的圆形底座1、螺纹立柱4、环形横板5组成了试验系统的轴向反力装置。所述的圆形壁筒7、环形封板8、环形顶盖9、中心顶盖10组成了试验系统的环向反力装置，安装于圆形底座1上表面。

所述的圆形底座1为圆环板形，沿外环周圈底面均匀间隔设有若干个固定支撑，供试验系统支撑于地表或其他试验台表面。圆形底座1外环周圈位置沿环向均匀设置一系列圆孔，供螺纹立柱4与环向反力装置通过螺栓(母)进行固定，圆形底座1内环内侧通过螺纹连接安装有环形底盖2，如图9(a)和图9(b)所示，环形底盖2上表面外边缘处设有凸起圆肋，环形底盖2下表面设有圆环槽以方便拆除环形底盖2，供待测锚固体模型及阶梯筒状模具19固定，环形底盖2内环内侧通过螺纹连接安装有中心底盖3，中心底盖3尺寸与待测模型围岩22钻孔尺寸一致。

所述的螺纹立柱4共4根，沿杆长方向通长设置螺纹，螺纹立柱4底端穿过圆形底座1，通过高强螺母进行固定。所述的环形横板5为圆环状，外径与圆形底座1外径一致，内径与中空自动加载油缸6外径一致，环形横板5内环周圈位置沿环向均匀设置一系列圆孔，供中空自动加载油缸6通过螺栓固定，外环周圈位置沿环向均匀设置4个圆孔，圆孔锥形圆槽位置、尺寸与螺纹立柱4位置、直径一致，环形横板5通过高强螺母固定于螺纹立柱4的顶部。

所述的圆形壁筒7底部与顶部分别设置有外伸翼缘，底部外伸翼缘与圆形底座1之间、顶部外伸翼缘与环形封板8之间分别通过螺栓进行连接。所述的环形封板8内环内侧通过螺纹连接安装有环形顶盖9，环形顶盖9内环内侧通过螺纹连接安装有中心顶盖10，中心顶盖10尺寸与待测模型围岩22钻孔尺寸一致。

所述的中空自动加载油缸6为中空圆筒状，由中空活塞筒24、中空缸筒25、夹持圆盘26等构件组成。所述的中空活塞筒24底部嵌于中空缸筒25内部，顶部与夹持圆盘26相连。所述的中空缸筒25顶部设有水平外伸翼缘，并在外伸翼缘部分沿环向设有一系列圆形锥形圆槽，锥形圆槽位置、尺寸与环形横板5内环周圈位置圆孔一致，中空自动加载油缸6通过螺栓固定在环形横板5中心位置。所述的夹持圆盘26中心位置设有锥形圆槽，锥形圆槽内部安装有自动夹持装置，包括锥形锁块27、高强锥形压簧28、中空锥形圆套29、环形槽盖30。所述的锥形锁块27共包括3块，安装于锥形圆槽底部；锥形锁块27在锥形圆槽底部闭合后，为中空锥形体，外表面底部为锥形面，顶部设有台阶，内表面底部为圆柱面，顶部为锥形面；外表面底部锥形面与内表面顶部锥形面倾斜角度一致。所述的高强锥形压簧28安装于锥形锁块27顶部台阶处，高强锥形压簧28顶部为环形槽盖30，如图8(a)和图8(b)所示，所述的环形槽盖30通过螺纹固定在锥形圆槽顶部，所述的中空锥形圆套29通过螺纹固定在环形槽盖30内环表面，中空锥形圆套29外表面、锥形圆槽内表面锥形圆面倾斜角度一致，共同形成了锥形通道，可使锥形锁块27沿锥形通道上下自由移动。所述的夹持圆盘26下部中心位置，安装有H形中空套管31，如图7所示，H形中空套管31通过螺纹固定在中空缸筒25顶部中心位置。当中空自动加载油缸6出油时，夹持圆盘26下移，可使H形中空套管31顶端顶住锥形锁块27，使锥形锁块27沿锥形通道上移压缩高强锥形压簧28，并保持自动张开，锚杆20可自由穿过，而当油缸进油时，夹持圆盘26上移，H形中空套管31顶端与锥形锁块27分开，锥形锁块27在高强锥形压簧28作用下下移，可实现对锚杆20的自动夹持。

所述的环状高压加载气囊11安装于环向反力装置内部，采用高强纤维织布与高分子聚合物的涂覆复合物进行制作，为环状筒结构，通过利用气管18进气、出气，可实现气囊加载、卸载。所述的柔性约束箍套12黏贴于环状高压加载气囊11内环表面，由端部弧形套管32、弧形压簧33、弧形连杆34、弧形传力板35组成，为圆筒状结构，如图11-图12所示。所述的弧形套管32安装于弧形传力板35的上、下两端部，所述的弧形压簧33安装于端部弧形套管32内，所述的弧形连杆34端头内置于弧形套管32内部，并与弧形压簧33端部相连。所述的薄层柔性橡胶13黏贴于弧形传力板内表面，尺寸大小与弧形传力板35一致，薄层柔性橡胶13外表面直接作用于待测锚固模型试件表面。在环状高压加载气囊11加载约束作用下，弧形连杆34端头可压缩弧形压簧33，实现柔性约束箍套12内缩，并保证收缩过程中横断面可始终保持圆形。当柔性约束箍套12处于松弛状态时，其外径与环状高压加载气囊11内环直径一致。

所述的风动油箱泵14通过油管17与中空自动加载油缸6相连，所述的高压气泵15通过气管18与环状高压加载气囊11、风动油箱泵14相连，所述的中心控制系统16(控制器，可以是计算机或者PLC控制器)与风动油箱泵14、高压气泵15相连，并通过利用安装于环状高压加载气囊11内表面的气压传感器、安装于中空自动加载油缸6的油压传感器等监测元件，可实现加载油压、气压的定量输出，满足不同围岩应力状态及加载方式(循环加卸载、阶梯加载、恒定荷载)下锚杆20锚固体锚固界面力学性能的测试。

所述的阶梯筒状模具19沿竖向中心剖面被切割成两部分，如图10(a)和图10(a)所示，两部分对接后外表面含有上下两个台阶，每个台阶处可采用钢制圆环23进行套箍约束，内表面底部环向周圈设有阶梯状缺口，缺口尺寸与圆形底座1环形底盖2凸起圆肋尺寸一致。试验前可将阶梯筒状模具19安装于圆形底座1环形底盖2上表面，用于制作待测锚固围岩模型22。

所述一种用于测试高应力环境锚杆(索)锚固界面力学性能的试验系统，具体操作方法为：

步骤1：圆柱形锚固围岩模型22制作

1-1沿螺纹立柱4上移环形横板5及中空自动加载油缸6，并利用高强螺母进行固定；

1-2移去环向反力装置环形封板8、环形顶盖9及中心顶盖10，对环状高压加载气囊11进行卸载，使柔性约束箍套12张开，为安装阶梯筒状模具19预留充足空间；

1-3沿圆形底座1环形底盖2凸起圆肋，安装阶梯筒状模具19，并在筒状模具外表面上下台阶处采用钢制圆环23在外表面阶梯处进行套箍约束；

1-4在阶梯筒状模具19内表面均匀涂抹一层凡士林油膏，并采用事先配制好的围岩模拟材料，通过浇筑或逐层夯实的方式，制作圆柱形锚固围岩模型22；

1-5待模型制作完毕，养护风干完成后，移走阶梯筒状模具19，并封闭好环向反力装置环形封板8、环形顶盖9及中心顶盖10等构件。

步骤2：模型表面围岩应力加载

2-1对环状高压加载气囊11进行充气，当薄层柔性橡胶13与模型表面接触压力达到设计围岩应力值的3％时，停止加载，使锚固围岩模型22与加载装置均匀接触；

2-2采用阶梯式分级加载的方式，对环状高压加载气囊11进行充气加载，每级荷载控制在5kN～20kN之间，待每级荷载稳定3min后，方可进行下一级荷载的加载，直至围岩应力达到设计值时，停止加载。

步骤3：锚固围岩模型22钻孔及锚杆20安装

3-1拆去环向反力装置的中心顶盖10与中心底盖3；

3-2沿移去中心顶盖10与中心底盖3位置，利用钻机对圆柱形锚固围岩模型22进行钻孔；

3-3模型钻孔完成后，安装中心底盖3，并利用水泥砂浆锚固剂或树脂锚固剂进行锚杆20固定安装。

步骤4：锚固模型拉拔测试

4-1下移环形横板5及中空自动加载油缸6，使锚杆20杆体上端外露部分顶端伸入中空自动加载油缸6的自动夹持装置内部；

4-2利用进油管17对中空自动加载油缸6进行充油，使夹持圆盘26上移，实现锥形锁块27对锚杆20杆体的自动夹持；

4-3对中空自动加载油缸6继续进行充油加载，待锚杆20拉力值达到设计拉力值的3％时，停止加载；

4-4采用阶梯式分级加载的方式，对锚杆20进行拉拔，每级荷载控制在5kN～20kN之间，待每级荷载稳定3min后，方可进行下一级荷载的加载；

4-5记录拉拔测试过程中的试验数据。

步骤5：测试结束

5-1当锚杆20试件从锚固围岩模型22中拔出时，标志着试验结束，此时可停止加载；

5-2上移环形横板5及中空自动加载油缸6，留出下部足够空间，以防止中空自动加载油缸6回油、夹持圆盘26下移时，被拔出锚固试件底端触碰环向反力装置顶端；

5-3对中空自动加载油缸6进行回油，夹持圆盘26与中空缸套之间闭合，锥形锁块27被自动张开；

5-4对环状高压加载气囊11进行出气，使柔性约束箍套12张开；

5-5移去环形封板8、环形顶盖9及待测锚固模型22，可进行下一个试验循环。

本发明该种用于测试高应力环境锚杆(索)锚固界面力学性能的试验系统，试验对象可以是土层或岩层常规粘结型锚杆(索)锚固模型，也可以是机械锚固型锚杆(索)模型或其他锚固方式模型，具体主体试验装置各构件尺寸、加载控制系统各构件力学性能参数及操作流程，可根据具体试验锚固体模型尺寸及试验要求进行相应调整。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种试验用锚杆或锚索夹持机构，其特征在于，包括中空自动加载油缸，中空自动加载油缸包括中空缸筒，中空缸筒内设置中空活塞筒，中空活塞筒的动力输出端与夹持圆盘连接；

夹持圆盘中心部位开有锥形圆槽，锥形圆槽顶部设置环形槽盖，锥形圆槽底部中心部位设置中空套管，中空套管与中空缸筒连接，锥形圆槽内设置锥形锁块，锥形锁块与环形槽盖之间设置高强锥形压簧，高强锥形压簧与环形槽盖内圈部位设置中空锥形圆套，锥形锁块包括至少两块，锥形锁块在与夹持圆盘的相对移动中实现夹持与张开；待测模型锚杆或锚索可穿过环形槽盖、锥形锁块、中空锥形圆套、中空套管和中空缸筒设置。

2.根据权利要求1所述的一种试验用锚杆或锚索夹持机构，其特征在于，所述中空锥形圆套顶部固定在所述环形槽盖内环表面；

锥形锁块在锥形圆槽底部闭合后，为中空锥形体，外圈表面底部为锥形面，顶部设有台阶，内圈表面底部为圆柱面，顶部为锥形面；

所述的锥形锁块外圈表面底部锥形面、内圈表面顶部锥形面与所述的中空锥形圆套外圈表面、锥形圆槽内圈表面锥形圆面倾斜角度一致，可形成使锥形锁块沿锥形圆槽上下自由移动的锥形通道。

3.根据权利要求1所述的一种试验用锚杆或锚索夹持机构，其特征在于，所述中空套管的外侧中部可设置外伸台阶以与中空缸筒上表面通过紧固件进行锁紧。

4.用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，其特征在于，包括：

底座，底座表面设置壁筒，壁筒内设置环状高压加载气囊，壁筒顶部可设置环形封板，在环状高压加载气囊内环表面设置柔性约束箍套，柔性约束箍套内圈设置锚固围岩模型，锚固围岩模型中心设置用于锚杆或锚索穿过的钻孔；

底座表面围绕壁筒还设有支柱，根据权利要求1-3中任一项所述的一种试验用锚杆或锚索夹持机构通过支柱设于所述壁筒的上方。

5.根据权利要求4所述的用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，其特征在于，所述柔性约束箍套包括多个设置成圆筒形状的弧形传力板，相邻的弧形传力板间隔设定距离设置，弧形传力板的上下两端均设置弧形套管，弧形套管内部设置弧形压簧，相邻的弧形套管之间通过弧形连杆连接，在环状高压加载气囊充气约束下，弧形连杆端头可压缩弧形压簧，柔性约束箍套可实现内缩以对锚固围岩模型提供环向约束力；

进一步地，所述弧形传力板内表面黏贴薄层柔性橡胶。

6.根据权利要求4所述的用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，其特征在于，所述中空自动加载油缸中中空缸筒与第一动力源连接，环状高压加载气囊通过气管与第二动力源连接，所述的第一动力源、第二动力源分别与控制器单独连接；

进一步地，在环状高压加载气囊内设置气压传感器，中空自动加载油缸内设有油压传感器，夹持圆盘部位设有位移传感器，锚杆或锚索杆体设有应力传感器，各类传感器分别与控制器单独连接。

7.根据权利要求4所述的用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，其特征在于，所述底座可为圆环板形，底座内圈安装有环形底盖，环形底盖上表面外边缘处设有凸起圆肋，环形底盖内圈安装有中心底盖，中心底盖尺寸与锚固围岩模型钻孔尺寸一致；

所述的环形封板内圈安装有环形顶盖，环形顶盖内圈安装有中心顶盖，中心顶盖尺寸与待测模型围岩钻孔尺寸一致。

8.根据权利要求4所述的用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，其特征在于，还包括阶梯筒状模具，阶梯筒状模具可活动设于所述环状高压加载气囊内侧；

进一步地，阶梯筒状模具沿竖向中心剖面被切割成两半，阶梯筒状模具外表面设置至少两个台阶，每个台阶处可采用钢制圆环进行套箍约束，内表面底部环向周圈设有阶梯状缺口，缺口尺寸与环形底盖上表面凸起圆肋尺寸一致。

9.根据权利要求4所述的用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，其特征在于，所述的中空自动加载油缸固定于环形横板中部，环向横板固定在所述的立柱上，并可沿立柱上下移动设置。

10.用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验方法，其特征在于，采用根据权利要求4-9中任一项所述的用于测试高应力环境锚杆或锚索锚固界面力学性能的试验系统，具体步骤如下：

1)移去壁筒顶部环形封板、环形顶盖及中心顶盖，对环状高压加载气囊进行卸载，使柔性约束箍套张开，安装阶梯筒状模具，并采用事先配制好的围岩模拟材料，制作圆柱形锚固围岩模型；

2)移走阶梯筒状模具，并封闭环形封板、环形顶盖及中心顶盖等构件，对环状高压加载气囊进行充气，模拟圆柱形锚固围岩模型环向均布围岩应力作用；

3)拆去中心顶盖与中心底盖，沿拆去顶盖、底盖位置，对圆柱形锚固围岩模型钻孔，并利用锚固剂进行锚杆或锚索安装；

4)通过夹持机构对锚杆或锚索杆体顶部外露部分进行夹持，采用阶梯式分级加载、循环加卸载或恒定荷载的方式，对锚杆或锚索的进行拉拔，并在试验过程中记录相关试验数据；

5)当锚杆或锚索从锚固围岩模型中拔出时，夹持机构松开锚杆或锚索，环状高压加载气囊出气，移去环形封板、环形顶盖及待测锚固围岩模型，试验结束，可进行下一试验循环。